KR101767654B1 - Semicondctor devices having through electrodes insulated by air gaps and methods for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 활성면과 그 반대면인 비활성면을 포함하는 기판과, 상기 기판을 관통하는 관통전극과, 상기 기판과 상기 관통전극 사이에 제공된 트렌치와, 그리고 상기 기판의 비활성면을 덮으며, 상기 트렌치의 내부로 확장되어 상기 트렌치의 내부에 상기 기판과 상기 관통전극 사이에 에어 갭을 형성하는 하부절연막을 포함할 수 있다.The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and includes a substrate including an active surface and an inactive surface opposite thereto, a penetrating electrode penetrating the substrate, a trench provided between the substrate and the penetrating electrode, And a lower insulating layer covering the inactive surface of the substrate and extending to the inside of the trench to form an air gap between the substrate and the penetrating electrode in the trench.
Description
본 발명은 반도체에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 에어 갭 절연 구조를 갖는 관통전극을 구비한 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
반도체 기판을 관통하는 관통전극(TSV) 기술이 진화해 오고 있다. 관통전극은 반도체 기판을 관통하는 것이므로 반도체 기판과의 절연 특성을 향상시키는 필요성이 있다. 종래에는 반도체 기판과 관통전극 간의 절연을 위해 관통전극의 측벽을 따라 산화막을 형성하는 것이 전형적이었다.(TSV) technology that penetrates a semiconductor substrate has evolved. Since the penetrating electrode penetrates the semiconductor substrate, there is a need to improve the insulating property with the semiconductor substrate. Conventionally, an oxide film is formed along the sidewalls of the penetrating electrode for insulation between the semiconductor substrate and the penetrating electrode.
관통전극의 빠른 동작 특성 요구에 따라 절연막은 두께 증가가 필요할 수 있다. 절연막의 두께가 증가하게 되면 스트레스가 증가할 수 있고, 관통전극의 종횡비가 따라 스텝 커버리지가 감소될 수 있어 절연막 두께의 증가는 제한이 있을 수 있다. 또한, 반도체 소자의 축소화에 따라 관통전극의 크기, 가령 관통전극이 원통 형상인 경우 그 직경이 작아짐에 따라 절연막의 두께 마진을 확보하기 어려울 수 있다. 이에 따라 관통전극의 특성이 저하되는 현상이 발생할 수 있다.The thickness of the insulating film may need to be increased according to the demand for quick operation characteristics of the penetrating electrode. As the thickness of the insulating film increases, the stress may increase, and the step coverage may be decreased along the aspect ratio of the penetrating electrode, so that the increase in the thickness of the insulating film may be limited. In addition, as the semiconductor device is reduced in size, the size of the penetrating electrode, for example, when the penetrating electrode has a cylindrical shape, can be difficult to ensure the thickness margin of the insulating film as the diameter becomes smaller. As a result, the characteristic of the penetrating electrode may be deteriorated.
본 발명은 종래 기술에서의 요구에 부응하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 절연 특성 내지 전기적 특성이 우수한 관통전극을 갖는 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.It is an object of the present invention to provide a semiconductor device having a penetrating electrode having an excellent insulating characteristic and an excellent electrical characteristic, and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성할 수 있는 본 발명에 실시예에 따른 반도체 소자는: 활성면과 그 반대면인 비활성면을 포함하는 기판과; 상기 기판을 관통하는 관통전극과; 상기 기판과 상기 관통전극 사이에 제공된 트렌치와; 그리고 상기 기판의 비활성면을 덮으며, 상기 트렌치의 내부로 확장되어 상기 트렌치의 내부에 상기 기판과 상기 관통전극 사이에 에어 갭을 형성하는 하부절연막을 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a substrate including an active surface and an inactive surface opposite to the active surface; A penetrating electrode passing through the substrate; A trench provided between the substrate and the penetrating electrode; And a lower insulating layer covering the inactive surface of the substrate and extending into the trench to form an air gap between the substrate and the penetrating electrode in the trench.
본 실시예의 소자에 있어서, 상기 하부절연막은: 상기 기판의 비활성면을 덮는 외부 절연막과; 그리고 상기 외부 절연막으로부터 연장되어 상기 트렌치의 내부로 확장되고, 상기 에어 갭을 정의하는 벽을 이루는 내부 절연막을 포함할 수 있다.In the element of the present embodiment, the lower insulating film includes: an external insulating film covering the inactive surface of the substrate; And an inner insulating film extending from the outer insulating film to extend into the trench and forming a wall defining the air gap.
본 실시예의 소자에 있어서, 상기 관통전극과 상기 내부 절연막 사이에 제공되어 상기 관통전극의 측벽을 둘러싸는 라이너막을 더 포함할 수 있다.The device of the present embodiment may further include a liner film provided between the penetrating electrode and the inner insulating film and surrounding the sidewall of the penetrating electrode.
본 실시예의 소자에 있어서, 상기 기판은 상기 트렌치에 의해 상기 관통전극과 이격된 내표면을 포함할 수 있다. 상기 기판의 내표면과 상기 내부 절연막 사이에 제공되어 상기 기판의 내표면을 덮는 라이너막을 더 포함할 수 있다.In the device of this embodiment, the substrate may include an inner surface spaced apart from the penetrating electrode by the trench. And a liner film provided between the inner surface of the substrate and the inner insulating film to cover the inner surface of the substrate.
본 실시예의 소자에 있어서, 상기 기판의 활성면을 덮는 상부절연막을 더 포함할 수 있다. 상기 트렌치는 상기 기판의 비활성면을 향하는 일측이 개방되고 상기 기판의 활성면을 향하는 타측이 상기 상부절연막에 의해 밀폐될 수 있다.The device of this embodiment may further include an upper insulating film covering the active surface of the substrate. The trench may be opened at one side toward the inactive side of the substrate and the other side toward the active side of the substrate may be closed by the top insulating film.
본 실시예의 소자에 있어서, 상기 기판과 상기 상부절연막 사이에 제공된 층간절연막을 더 포함할 수 있다. 상기 관통전극은 상기 층간절연막을 더 관통할 수 있다.The device of this embodiment may further include an interlayer insulating film provided between the substrate and the upper insulating film. The penetrating electrode may further penetrate the interlayer insulating film.
본 실시예의 소자에 있어서, 상기 에어 갭은 상기 기판의 비활성면 및 활성면 사이에서 상기 관통전극의 측벽을 따라 수직하게 연장될 수 있다.In the device of this embodiment, the air gap may extend vertically along the sidewalls of the penetrating electrode between the inactive surface and the active surface of the substrate.
본 실시예의 소자에 있어서, 상기 에어 갭은 상기 기판의 비활성면 및 상기 상부절연막 사이에서 상기 관통전극의 측벽을 따라 수직하게 연장될 수 있다.In the element of the present embodiment, the air gap may extend perpendicularly along the side wall of the penetrating electrode between the inactive surface of the substrate and the upper insulating film.
본 실시예의 소자에 있어서, 상기 하부절연막은 제1 하부절연막과 제2 하부절연막을 포함할 수 있다. 상기 제1 하부절연막은 상기 기판의 비활성면을 덮는 외부 절연막과 상기 외부 절연막으로부터 연장되어 상기 트렌치를 밀폐시키는 내부 절연막을 포함할 수 있다. 상기 제2 하부절연막은 상기 기판의 비활성면과 상기 외부 절연막 사이에 그리고 상기 트렌치의 내부로 제공되어, 상기 외부 절연막과 함께 상기 기판의 비활성면을 덮으며 상기 내부 절연막과 함께 상기 에어 갭을 정의하는 벽을 이룰 수 있다.In the device of this embodiment, the lower insulating film may include a first lower insulating film and a second lower insulating film. The first lower insulating layer may include an external insulating layer covering the inactive surface of the substrate and an internal insulating layer extending from the external insulating layer to seal the trench. Wherein the second lower insulating film is provided between the inactive surface of the substrate and the external insulating film and into the trench so as to cover the inactive surface of the substrate with the external insulating film and define the air gap with the internal insulating film You can build a wall.
상기 목적을 달성할 수 있는 본 발명에 다른 실시예에 따른 반도체 소자는: 수평한 활성면과, 상기 활성면과 반대면을 이루는 수평한 비활성면과, 그리고 상기 활성면과 상기 비활성면을 잇는 내표면을 포함하는 기판과; 상기 기판을 수직하게 관통하며, 상기 내표면과 이격된 관통전극과; 상기 내표면과 상기 관통전극 사이에 제공된, 상기 관통전극을 따라 연장된 에어 갭과; 그리고 상기 비활성면을 덮으며, 상기 내표면 및 상기 관통전극의 측벽을 더 덮어 상기 에어 갭을 정의하는 벽을 이루는 하부절연막을 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a semiconductor substrate having a horizontal active surface, a horizontal inactive surface opposite to the active surface, and an inactive surface between the active surface and the inactive surface, A substrate comprising a surface; A penetrating electrode vertically penetrating the substrate and spaced apart from the inner surface; An air gap provided between the inner surface and the penetrating electrode, the air gap extending along the penetrating electrode; And a lower insulating film covering the inactive surface and forming a wall that further covers the inner surface and the side wall of the penetrating electrode to define the air gap.
본 다른 실시예의 소자에 있어서, 상기 하부절연막은: 상기 비활성면을 덮는 외부 절연막과; 그리고 상기 외부 절연막으로부터 연장되어 상기 내표면과 상기 관통전극의 측벽을 덮는 내부 절연막을 포함할 수 있다. 상기 내부 절연막은 상기 에어 갭을 정의하는 벽을 이룰 수 있다.In the device according to another embodiment of the present invention, the lower insulating film may include: an external insulating film covering the inactive surface; And an inner insulating layer extending from the outer insulating layer and covering the inner surface and the sidewalls of the penetrating electrode. The inner insulating film may form a wall defining the air gap.
본 다른 실시예의 소자에 있어서, 상기 관통전극의 측벽을 덮는 라이너막을 더 포함할 수 있다. 상기 관통전극과 상기 에어 갭 사이에는 상기 내부 절연막과 상기 라이너막이 개재될 수 있다. 상기 내표면과 상기 에어 갭 사이에는 상기 내부 절연막이 개재될 수 있다.In the element according to another embodiment of the present invention, it may further comprise a liner film covering the side wall of the penetrating electrode. The inner insulating film and the liner film may be interposed between the penetrating electrode and the air gap. The inner insulating film may be interposed between the inner surface and the air gap.
본 다른 실시예의 소자에 있어서, 상기 내표면을 덮는 라이너막을 더 포함할 수 있다. 상기 내표면과 상기 에어 갭 사이에는 상기 라이너막과 상기 내부 절연막이 개재될 수 있다. 상기 관통전극과 상기 에어 갭 사이에는 상기 내부 절연막이 개재될 수 있다.In the element according to another embodiment of the present invention, it may further comprise a liner film covering the inner surface. The liner film and the inner insulating film may be interposed between the inner surface and the air gap. The inner insulating film may be interposed between the penetrating electrode and the air gap.
본 다른 실시예의 소자에 있어서, 상기 외부 절연막은 이중막이고, 상기 내부 절연막은 단일막일 수 있다.In the device according to another embodiment of the present invention, the outer insulating film is a double film, and the inner insulating film may be a single film.
본 다른 실시예의 소자에 있어서, 상기 내표면은: 상기 관통전극을 따라 연장된 직선 형태이거나, 상기 관통전극을 향하는 방향으로 오목한 형태이거나, 혹은 상기 관통전극을 향하는 방향으로 오목한 형태가 반복되는 물결 형태일 수 있다.In the device of another embodiment of the present invention, the inner surface may be a linear shape extending along the penetrating electrode, a concave shape in a direction toward the penetrating electrode, or a wave shape in which a concave shape is repeated in a direction toward the penetrating electrode Lt; / RTI >
본 다른 실시예의 소자에 있어서, 상기 활성면 상에 배치된 집적회로와; 상기 활성면 상에 제공되어 상기 집적회로를 덮는 층간절연막과; 그리고 상기 층간절연막을 덮는 상부절연막을 더 포함할 수 있다.An element of this other embodiment, comprising: an integrated circuit disposed on the active surface; An interlayer insulating film provided on the active surface to cover the integrated circuit; And an upper insulating layer covering the interlayer insulating layer.
본 다른 실시예의 소자에 있어서, 상기 활성면과 상기 층간절연막과 그리고 상기 상부절연막 중 어느 하나 상에 제공되어 상기 관통전극을 상기 집적회로에 전기적으로 연결하는 상부배선과, 상기 하부절연막 상에 제공되어 상기 관통전극을 외부 장치에 전기적으로 연결하는 하부배선 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.The device of another embodiment of the present invention may further include an upper wiring provided on the active surface, the interlayer insulating film, and the upper insulating film to electrically connect the penetrating electrode to the integrated circuit, And a lower wiring electrically connecting the penetrating electrode to an external device.
본 다른 실시예의 소자에 있어서, 상기 상부배선은 상기 층간절연막 상에 제공될 수 있다. 상기 관통전극은 상기 층간절연막을 더 관통하여 상기 상부배선과 연결될 수 있다. 상기 에어 갭은 상기 비활성면과 상기 활성면 사이에 제공되거나, 혹은 상기 비활성면과 상기 상부배선 사이에 제공될 수 있다.In the element according to another embodiment of the present invention, the upper wiring may be provided on the interlayer insulating film. The penetrating electrode may further penetrate the interlayer insulating film and be connected to the upper wiring. The air gap may be provided between the inactive surface and the active surface, or may be provided between the inactive surface and the top wiring.
본 다른 실시예의 소자에 있어서, 상기 상부배선은 상기 상부절연막 상에 제공될 수 있다. 상기 관통전극은 상기 층간절연막 및 상기 상부배선을 더 관통하여 상기 상부배선과 연결될 수 있다. 상기 에어 갭은 상기 비활성면과 상기 활성면 사이에 제공되거나, 혹은 상기 비활성면과 상기 상부배선 사이에 제공될 수 있다.In the device of another embodiment of the present invention, the upper wiring may be provided on the upper insulating film. The penetrating electrode may further penetrate the interlayer insulating film and the upper wiring, and may be connected to the upper wiring. The air gap may be provided between the inactive surface and the active surface, or may be provided between the inactive surface and the top wiring.
본 다른 실시예의 소자에 있어서, 상기 상부배선은 상기 활성면 상에 제공될 수 있다. 상기 관통전극은 상기 기판을 관통하여 상기 상부배선과 연결될 수 있다. 상기 에어 갭은 상기 비활성면과 상기 상부배선 사이에 제공될 수 있다.In the device of another embodiment of the present invention, the upper wiring may be provided on the active surface. The penetrating electrode may be connected to the upper wiring through the substrate. The air gap may be provided between the inactive surface and the upper wiring.
상기 목적을 달성할 수 있는 본 발명에 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은: 상면과 그 반대면인 하면을 포함하는 기판을 제공하고; 상기 상면으로부터 상기 하면을 향해 상기 기판을 부분적으로 관통하는 관통전극을 형성하고; 상기 하면을 리세스하여 상기 관통전극의 일부를 노출시키는 상기 기판의 비활성면을 정의하고; 상기 관통전극을 둘러싸며, 상기 관통전극을 상기 기판으로부터 이격시키는 트렌치를 형성하고; 상기 비활성면을 덮는 하부절연막을 형성하고; 그리고 상기 트렌치의 내부에 상기 하부절연막으로 둘러싸인 에어 갭을 형성하는 것을 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device comprising: providing a substrate including an upper surface and a lower surface opposite to the upper surface; Forming a penetrating electrode partially penetrating the substrate from the upper surface toward the lower surface; Defining an inactive surface of the substrate that recesses the bottom surface to expose a portion of the through electrode; Forming a trench that surrounds the penetrating electrode and separates the penetrating electrode from the substrate; Forming a lower insulating film covering the inactive surface; And forming an air gap surrounded by the lower insulating film in the trench.
본 실시예의 방법에 있어서, 상기 기판을 평탄화하여 상기 비활성면으로부터 돌출된 상기 관통전극의 일부를 제거하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 기판을 평탄화하는 것은 상기 에어 갭을 형성한 이후에 진행할 수 있다.In the method of this embodiment, the substrate may be planarized to remove a portion of the penetrating electrode protruding from the inactive surface. The substrate may be planarized after the air gap is formed.
본 실시예의 방법에 있어서, 상기 관통전극을 형성하는 것은: 상기 기판에 상기 상면으로부터 상기 하면을 향해 연장된 홀을 형성하고; 상기 홀의 내벽을 따라 연장된 라이너막을 형성하고; 그리고 상기 홀 내에 상기 라이너막을 덮으며 상기 홀을 채우는 도전막을 형성하는 것을 포함할 수 있다.In the method of this embodiment, forming the penetrating electrode may include: forming a hole in the substrate extending from the upper surface toward the lower surface; Forming a liner film extending along an inner wall of the hole; And forming a conductive film covering the liner film in the hole to fill the hole.
본 실시예의 방법에 있어서, 상기 트렌치를 형성하는 것은 상기 기판 중 상기 관통전극을 둘러싸는 일부를 식각하여 상기 관통전극을 둘러싸는 상기 트렌치를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 트렌치는 상기 관통전극의 측벽을 둘러싸는 상기 라이너막과 상기 라이너막과 이격된 상기 기판의 내표면을 노출시키며, 상기 비활성면을 향하는 일측이 개방된 입구를 가질 수 있다.In the method of this embodiment, forming the trench may include etching the portion of the substrate surrounding the penetrating electrode to form the trench surrounding the penetrating electrode. The trench may expose an inner surface of the substrate spaced apart from the liner film surrounding the sidewall of the penetrating electrode, and may have an opening at one side facing the inactive surface.
본 실시예의 방법에 있어서, 상기 관통전극을 형성하는 것은: 상기 기판에 상기 상면으로부터 상기 하면을 향해 연장된 홀을 형성하고; 상기 홀의 내벽을 따라 연장된 라이너막과 희생막을 형성하고; 그리고 상기 홀 내에 상기 라이너막 및 희생막을 덮으며 상기 홀을 채우는 도전막을 형성하는 것을 포함할 수 있다.In the method of this embodiment, forming the penetrating electrode may include: forming a hole in the substrate extending from the upper surface toward the lower surface; Forming a sacrificial film and a liner film extending along the inner wall of the hole; And forming a conductive film covering the liner film and the sacrificial film in the hole and filling the hole.
본 실시예의 방법에 있어서, 상기 트렌치를 형성하는 것은: 상기 하면을 리세스하여 상기 라이너막 및 희생막을 노출시키고; 그리고 상기 희생막을 선택적으로 식각하여 상기 관통전극을 둘러싸는 상기 트렌치를 형성하는 것을 포함할 수 있다.In the method of this embodiment, forming the trench may include: recessing the lower surface to expose the liner film and the sacrificial film; And selectively etching the sacrificial layer to form the trench surrounding the penetrating electrode.
본 실시예의 방법에 있어서, 상기 라이너막과 희생막을 형성하는 것은, 상기 홀의 내벽을 덮는 상기 희생막을 형성한 이후에 상기 희생막을 덮는 상기 라이너막을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 트렌치를 형성하는 것은, 상기 라이너막과 상기 기판 사이에 형성된 상기 희생막을 식각하는 것을 포함할 수 있다. 상기 트렌치는 상기 관통전극의 측벽을 둘러싸는 상기 라이너막과 상기 라이너막과 이격된 상기 기판의 내표면을 노출시키며, 상기 비활성면을 향하는 일측이 개방된 입구를 가질 수 있다.In the method of this embodiment, forming the liner film and the sacrificial film may include forming the liner film that covers the sacrificial film after forming the sacrificial film covering the inner wall of the hole. The forming of the trench may include etching the sacrificial film formed between the liner film and the substrate. The trench may expose an inner surface of the substrate spaced apart from the liner film surrounding the sidewall of the penetrating electrode, and may have an opening at one side facing the inactive surface.
본 실시예의 방법에 있어서, 상기 라이너막과 희생막을 형성하는 것은, 상기 홀의 내벽을 덮는 상기 라이너막을 형성한 이후에 상기 라이너막을 덮는 상기 희생막을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 트렌치를 형성하는 것은, 상기 관통전극과 상기 라이너막 사이에 형성된 상기 희생막을 식각하는 것을 포함할 수 있다. 상기 트렌치는 상기 기판의 내표면을 덮는 상기 라이너막과 상기 라이너막과 이격된 상기 관통전극의 측벽을 노출시키며, 상기 비활성면을 향하는 일측이 개방된 입구를 가질 수 있다.In the method of the present embodiment, forming the liner film and the sacrificial film may include forming the sacrificial film covering the liner film after forming the liner film covering the inner wall of the hole. The forming of the trench may include etching the sacrificial layer formed between the penetrating electrode and the liner film. The trench exposes a sidewall of the penetrating electrode that is spaced apart from the liner film covering the inner surface of the substrate and the liner film. The trench may have an opening at one side facing the inactive surface.
본 실시예의 방법에 있어서, 상기 트렌치를 형성하는 것은, 상기 라이너막 중에서 상기 비활성면을 통해 노출된 부분을 식각하는 것을 더 포함할 수 있다.In the method of the present embodiment, forming the trench may further include etching the exposed portion of the liner film through the inactive surface.
본 실시예의 방법에 있어서, 상기 하부절연막을 형성하는 것은: 상기 비활성면을 덮는 외부 절연막을 형성하고; 그리고 상기 외부 절연막으로부터 연장되어 상기 트렌치의 내부로 확장된, 상기 트렌치의 입구를 밀폐시켜 상기 에어 갭을 둘러싸는 벽을 이루는 내부 절연막을 형성하는 것을 포함할 수 있다.In the method of the present embodiment, forming the lower insulating film may include: forming an external insulating film covering the inactive surface; And forming an inner insulating film extending from the outer insulating film and extending to the inside of the trench, the inner insulating film forming a wall surrounding the air gap by sealing an inlet of the trench.
본 실시예의 방법에 있어서, 상기 하부절연막을 형성하는 것은: 상기 기판의 비활성면을 덮는 외부 절연막과 상기 기판의 외부 절연막으로부터 연장되어 상기 트렌치의 입구를 밀폐시키는 내부 절연막을 포함하는 제1 하부절연막을 형성하고; 그리고 상기 기판의 비활성면과 상기 외부 절연막 사이에 그리고 상기 트렌치의 내부로 제공되어, 상기 외부 절연막과 함께 상기 기판의 비활성면을 덮으며 상기 내부 절연막과 함께 상기 에어 갭을 둘러싸는 벽을 이루는 제2 하부절연막을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 제2 하부절연막을 형성하고, 그 이후에 상기 제1 하부절연막을 형성할 수 있다.In the method of the present embodiment, forming the lower insulating film may include: forming a first lower insulating film including an external insulating film covering the inactive surface of the substrate and an internal insulating film extending from the external insulating film of the substrate to seal the entrance of the trench, Forming; And a second insulating layer provided between the inactive surface of the substrate and the external insulating layer and inside the trench so as to cover the inactive surface of the substrate together with the external insulating layer and form a wall surrounding the air gap, And forming a lower insulating film. The second lower insulating film may be formed, and then the first lower insulating film may be formed.
본 실시예의 방법에 있어서, 상기 기판의 상면 상에 상기 관통전극과 연결되는 상부배선을 형성하는 것과, 그리고 상기 기판의 비활성면 상에 상기 관통전극과 연결되는 하부배선을 형성하는 것 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.In the method of the present embodiment, at least one of forming an upper wiring connected to the penetrating electrode on the upper surface of the substrate, and forming a lower wiring connected to the penetrating electrode on the inactive surface of the substrate As shown in FIG.
본 발명에 의하면, 관통전극과 기판 사이에 진공 혹은 에어가 채워진 갭이 제공되므로써 유전율이 1 또는 1에 매우 가까워 우수한 전기적 절연효과를 얻을 수 있다. 아울러, 갭을 통해 노출되는 관통전극의 측벽을 덮는 라이너막이 더 제공되므로써 관통전극의 팽창이나 뒤틀리는 경우 기판과의 접촉을 막아 쇼트 현상 등과 같은 불량 현상을 없앨 수 있다. 더 나아가, 기판의 하면을 피복하는 하부절연막이 에어 갭 내부로 더 확장되므로써 관통전극과 기판과의 접촉을 방지하는 효과 및 스트레스 버퍼 역할을 더 할 수 있다. 이에 따라, 반도체 소자의 구조적 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, since a gap filled with vacuum or air is provided between the through electrode and the substrate, the dielectric constant is very close to 1 or 1, so that an excellent electrical insulating effect can be obtained. Further, since the liner film covering the side wall of the penetrating electrode exposed through the gap is further provided, when the penetrating electrode is expanded or twisted, contact with the substrate can be prevented, thereby eliminating defective phenomena such as short- Furthermore, since the lower insulating film covering the lower surface of the substrate is further extended into the air gap, the contact between the penetrating electrode and the substrate can be prevented and the stress buffer can be added. Thus, there is an effect that the structural and electrical characteristics of the semiconductor device can be improved.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자를 도시한 단면도.
도 1b는 도 1a의 일부를 확대 도시한 단면도.
도 1c는 도 1b의 변형예를 도시한 단면도.
도 1d는 도 1a의 일부를 확대 도시한 단면도.
도 1e는 도 1d의 변형예를 도시한 단면도.
도 1f는 도 1a의 일부를 확대 도시한 단면도.
도 2a 내지 2j는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 단면도.
도 2k 내지 2n은 도 2j의 변형예들을 도시한 단면도.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 단면도.
도 3d는 도 3c의 변형예를 도시한 단면도.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 단면도.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 단면도.
도 6a 내지 6f는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 단면도.
도 6g 및 6h는 도 6f의 변형예들을 도시한 단면도.
도 7a 내지 7f는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 단면도.
도 7g 및 7h는 도 7f의 변형예들을 도시한 단면도.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자를 구비한 메모리 카드를 도시한 블록도.
도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자를 응용한 정보 처리 시스템을 도시한 블록도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1A is a cross-sectional view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view of a portion of FIG. 1A. FIG.
Fig. 1C is a sectional view showing a modification of Fig. 1B. Fig.
FIG. 1D is an enlarged cross-sectional view of a part of FIG. 1A. FIG.
FIG. 1E is a sectional view showing a modification of FIG. 1D. FIG.
FIG. 1F is an enlarged sectional view of a part of FIG. 1A.
2A to 2J are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
Figures 2k-2n are cross-sectional views illustrating variations of Figure 2j.
3A to 3C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
Fig. 3D is a sectional view showing a modification of Fig. 3C. Fig.
4A to 4C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
5A to 5C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
6A to 6F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
Figures 6G and 6H are cross-sectional views showing variants of Figure 6F.
7A to 7F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
Figures 7g and 7h are cross-sectional views showing variants of Figure 7f.
8A is a block diagram illustrating a memory card having a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
8B is a block diagram showing an information processing system using semiconductor devices according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명에 따른 에어 갭 절연 구조를 갖는 관통전극을 구비한 반도체 소자 및 그 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a semiconductor device having a penetrating electrode having an air gap insulating structure according to the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명과 종래 기술과 비교한 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages of the present invention and its advantages over the prior art will become apparent from the detailed description and claims that follow. In particular, the invention is well pointed out and distinctly claimed in the claims. The invention, however, may best be understood by reference to the following detailed description when taken in conjunction with the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings denote like elements throughout the various views.
<장치예><Device example>
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자를 도시한 단면도이다. 1A is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 1a를 참조하면, 반도체 소자(1)는 전기적 신호를 기판(100)을 수직 관통하여 전달하는 도전성 연결부(120)를 포함할 수 있다. 도전성 연결부(120)는 기판(100)을 수직 관통하는 관통전극(108)을 포함할 수 있다. 도전성 연결부(120)는 관통전극(108)과 접촉되며 기판(100)의 상면(100a) 상에 배치된 상부배선(110)과, 관통전극(108)과 접촉되며 기판(100)의 하면(100c) 상에 배치된 하부배선(116) 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 상면(100a) 및 하면(100c) 각각은 기판(100)의 두께 방향과 직교하는 수평 방향으로 연장된 대체로 평평한 면일 수 있다.Referring to FIG. 1A, a
상부배선(110)은 기판(100)의 상면(100a)을 따라 수평하게 신장될 수 있고, 하부배선(116)은 기판(100)의 하면(100c)을 따라 수평하게 신장될 수 있다. 상부배선(110)과 하부배선(116) 중 적어도 어느 하나는 재배선될 수 있다. 하부배선(116)에는 반도체 소자(1)를 다른 장치, 가령 다른 반도체 소자 혹은 인쇄회로기판에 전기적으로 연결할 수 있는 연결단자로서 솔더볼(118)이 부착되어 있을 수 있다. 도면에는 자세히 도시되어 있지 아니하지만 상부배선(110)에 연결단자가 더 부착될 수 있다.The
관통전극(108)은 기판(100)을 수직 관통하여 상부배선(110) 및 하부배선(116)과 접촉할 수 있다. 상부배선(110)을 통해 전달되어 오는 전기적 신호는 관통전극(110)을 따라 기판(100)을 수직 관통하여 하부배선(116)으로 혹은 그 역으로 전달될 수 있다.The penetrating
기판(100)의 상면(100a) 및 하면(100c)은 보호막(124) 및 하부절연막(114)에 의해 각각 덮여질 수 있다. 보호막(124) 및 하부절연막(114)은 기판(100)을 외부환경으로부터 보호하며 전기적으로 절연시킬 수 있다. 도전성 연결부(120)는 기판(100)과 전기적으로 절연될 수 있다. 예컨대, 보호막(124)은 상부배선(110)을 기판(100)의 상면(100a)으로부터 이격시켜 전기적으로 절연시키고, 하부절연막(114)은 하부배선(116)을 기판(100)의 하면(100c)으로부터 이격시켜 전기적으로 절연시킬 수 있다. 관통전극(108)은 에어 갭(112)의 의해 기판(100)의 내표면(100s)과 전기적으로 절연될 수 있다. 내표면(100s)은 상면(100a)과 하면(100c)을 잇는 대체로 수직한 면일 수 있다.The
기판(100)은 관통전극(108)을 따라 수직하게 연장되어 관통전극(108)을 둘러싸는 갭 내지는 트렌치(111)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 의하면, 기판(100)의 하면(100c)을 따라 형성된 하부절연막(114)은 하면(100c)을 덮는 외부 절연막(114a)과, 트렌치(111)를 밀폐시키고 트렌치(111)의 내부로 확장되어 트렌치(111)의 내벽에 형성된 내부 절연막(114b)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 트렌치(111)의 내부에는 트렌치(111)의 내벽을 따라 형성된 내부 절연막(114b)으로 둘러싸여 정의되고 대체로 관통전극(108)을 따라 대체로 수직한 에어 갭(112)이 형성될 수 있다. 에어 갭(112)은 진공(vacuum) 혹은 에어(air)로 채워질 수 있다. 관통전극(108)과 기판(100)은 유전율이 1 또는 1에 매우 가까운 에어 갭(112)에 의해 전기적으로 절연되므로써, 가령 유전율이 3.8 내지 4.2인 실리콘산화막에 의해 절연되는 것에 비해 매우 우수한 전기적 특성을 가질 수 있다.The
관통전극(108)의 측벽을 둘러싸는 절연성 라이너막(106)이 더 형성되어 있을 수 있다. 라이너막(106)은 산화막(예: SiO2) 혹은 질화막(예: SiN) 혹은 폴리머막을 포함할 수 있다. 라이너막(106)은 관통전극(108)을 둘러싸며 그 측벽을 따라 상부배선(110)에서부터 하부배선(116)까지 연장될 수 있다. 관통전극(108)과 기판(100)은 에어 갭(112) 이외에 내부 절연막(114b) 및 라이너막(106)에 의해 전기적으로 절연될 수 있다. 관통전극(108)이 확산하기 매우 쉬운 구리로 구성된 경우 질화막(SiN)을 포함하는 라이너막(106)은 구리 확산을 저지하는 배리어 역할을 겸할 수 있다.An insulating
관통전극(108)과 기판(100)이 서로 다른 물질인 경우, 열팽창계수 차이(CTE mismatch)에 의해 관통전극(108)이 팽창하거나 뒤틀리는 현상이 일어날 수 있다. 이 경우, 관통전극(108)과 기판(100) 사이에는 라이너막(106), 내부 절연막(114b) 및 에어 갭(112)이 있기 때문에 관통전극(108)이 기판(100)에 직접 닿을 염려는 전혀 없다. 아울러, 관통전극(108)이 대체로 심하게 팽창하거나 뒤틀리는 경우 내부 절연막(114b)이 우선적으로 파괴될 수 있다. 이와 같이, 내부 절연막(114b)은 스트레스 버퍼 역할을 할 수 있어 관통전극(108) 및/또는 기판(100)에 미칠 수 있는 스트레스가 완화되거나 사라질 수 있다.When the penetrating
반도체 소자(1)에 있어서 라이너막(106), 하부절연막(114), 에어 갭(112)은 그 형태나 구조가 다양하게 변형될 수 있다. 이러한 변형들은 후술한 설명들을 참조하면 명확히 이해될 것이다.The
기판(100)과 보호막(124) 사이에는 이하에서 후술한 바와 같이 도전성 연결부(120)와 전기적으로 연결된 집적회로, 집적회로를 덮는 층간절연막, 집적회로와 전기적으로 연결된 금속배선 등이 더 형성되어 있을 수 있다. 관통전극(108)은 비아 라스트(Via Last), 비아 미들(Via Middle) 및 비아 퍼스트(Via First) 구조 중 어느 하나로 분류될 수 있다.
An integrated circuit electrically connected to the
<비아 미들><Biama Middle>
도 1b는 도 1a의 일부를 확대 도시한 단면도이다. 도 1c는 도 1b의 변형예를 도시한 단면도이다.Fig. 1B is an enlarged cross-sectional view of a portion of Fig. 1A. Fig. 1C is a sectional view showing a modification of Fig. 1B.
도 1b를 참조하면, 관통전극(108)은 집적회로(95)가 형성된 이후에 그리고 상부배선(110) 및 금속배선(111)이 형성되기 이전된 형성된 비아 미들 구조일 수 있다. 층간절연막(101)은 기판(100)의 상면(100a) 상에 형성되어 집적회로(95)를 덮는 제1 층간절연막(101a)과, 제1 층간절연막(101a) 상에 형성되어 상부배선(110) 및 금속배선(111)을 덮는 제2 층간절연막(101b)을 포함할 수 있다. 관통전극(108)은 기판(100)과 제1 층간절연막(101a)을 관통할 수 있다. 보호막(124)은 제2 층간절연막(101b) 상에 형성될 수 있고, 금속배선(111)에 연결된 본딩패드(105)를 개방시킬 수 있다.Referring to FIG. 1B, the penetrating
트렌치(111)는 기판(100)을 관통하며, 이에 따라 에어 갭(112)은 기판(100)의 상면(100a)과 하면(100c) 사이에 한정될 수 있다. 상부배선(110)은 집적회로(95)와 전기적으로 연결될 수 있어, 관통전극(108)은 집적회로(95)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상부배선(110)은 제1 금속배선(M1)으로, 금속배선(111)은 제2 금속배선(M2)으로 불리울 수 있다.The
도 1c를 참조하면, 트렌치(111)는 기판(100)을 관통하고 제1 층간절연막(101a)을 더 관통하도록 확장될 수 있다. 이에 따라, 에어 갭(112)은 제1 층간절연막(101a)의 형성 영역까지 확장될 수 있다.
Referring to FIG. 1C, the
<비아 라스트><Biarast>
도 1d는 도 1a의 일부를 확대 도시한 단면도이다. 도 1e는 도 1d의 변형예를 도시한 단면도이다.FIG. 1D is an enlarged cross-sectional view of a part of FIG. 1A. Fig. 1E is a sectional view showing a modification of Fig. 1D.
도 1d를 참조하면, 관통전극(108)은 기판(100)을 관통하고, 그리고 기판(100)의 상면(100a) 상에 형성된 집적회로(95) 및 금속배선(111)을 덮는 층간절연막(101)을 더 관통할 수 있다. 본 실시예에 의하면, 관통전극(108)은 집적회로(95) 및 금속배선(111)이 형성된 이후에 형성된 비아 라스트 구조일 수 있다. 상부배선(110)과 층간절연막(101) 사이에 보호막(124)이 제공될 수 있고, 관통전극(108)은 보호막(124)을 더 관통할 수 있다. 1D, the penetrating
트렌치(111)는 기판(100)을 관통하며, 이에 따라 에어 갭(112)은 기판(100)의 상면(100a)에서 하면(100c) 사이에 한정될 수 있다. 상부배선(110)은 본딩패드(105)를 매개로 집적회로(95)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상부배선(110)은 그 일부가 확장되어 본딩패드(105)와 접촉할 수 있다. 금속배선(111)은 제1 금속배선(M1)으로, 상부배선(110)은 제2 금속배선(M2)으로 불리울 수 있다.The
도 1e를 참조하면, 트렌치(111)는 기판(100) 이외에 층간절연막(101)을 더 관통할 수 있어, 에어 갭(112)은 층간절연막(101)의 형성 영역까지 확장될 수 있다.
Referring to FIG. 1E, the
<비아 퍼스트><Via First>
도 1f는 도 1a의 일부를 확대 도시한 단면도이다.FIG. 1F is an enlarged sectional view of a part of FIG. 1A.
도 1f를 참조하면, 관통전극(108)은 집적회로(95)와 상부배선(110) 및 금속배선(111)이 형성되기 이전에 먼저 형성된 비아 퍼스트 구조일 수 있다. 기판(100)의 상면(100a)에는 층간절연막(101)이 형성될 수 있다. 층간절연막(101)은 집적회로(95)와 상부배선(110)을 덮는 제1 층간절연막(101a)과, 제1 층간절연막(101a) 상에 형성된 금속배선(111)을 덮고 본딩패드(105)를 노출시키는 제2 층간절연막(101b)을 포함할 수 있다. 상부배선(110)은 제1 금속배선(M1), 금속배선(111)은 제2 금속배선(M2)으로 불리울 수 있다.Referring to FIG. 1F, the penetrating
트렌치(111)는 기판(100)을 관통하며, 이에 따라 에어 갭(112)은 기판(100)의 상면(100a)에서 하면(100c)까지 한정될 수 있다. 상부배선(110)은 금속배선(111)를 매개로 혹은 직접적으로 집적회로(95)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상부배선(110)과 기판(100)과의 절연을 위해 기판(100)의 상면(100a) 상에 절연막(109)이 더 형성되어 있을 수 있다. 다른 예로, 라이너막(106)이 기판(100)의 상면(100a)으로 확장되어 상부배선(110)과 기판(100)의 상면(100a) 사이에 더 형성되어 있을 수 있다.
The
<방법예 1><Method Example 1>
도 2a 내지 2j는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 단면도이다. 2A to 2J are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 2a를 참조하면, 기판(100)을 제공할 수 있다. 기판(100)은 실리콘 혹은 실리콘을 포함하는 반도체로 구성될 수 있다. 기판(100)의 상면(100a)에 상부절연막(102)을 형성할 수 있다. 상부절연막(102)을 관통하고 기판(100)의 하면(100b)에 이르지 않는 깊이를 가지는 홀(104)을 형성할 수 있다. 홀(104)은 식각이나 레이저 드릴링 공정으로 형성할 수 있다. 상면(100a)과 하면(100b) 각각은 대체로 수평 방향으로 평평한 면일 수 있다.Referring to FIG. 2A, a
본 실시예의 제조방법은 비아 미들, 비아 라스트 및 비아 퍼스트 구조들 모두를 구현하는데 적용될 수 있다. 예컨대, 도 1b 또는 1c에서와 같이 비아 미들 구조를 구현하는 경우 상부절연막(102)은 도 1b에 도시된 제1 층간절연막(101a)일 수 있고, 기판(100)의 상면(100a)에는 제1 층간절연막(101a)으로 덮여 있는 집적회로(95)가 형성되어 있을 수 있다. 일례로, 도 1d 또는 1e에서와 같이 비아 라스트 구조를 구현하는 경우 상부절연막(102)은 층간절연막(101)일 수 있고, 기판(100)의 상면(100a)에는 층간절연막(101)으로 덮여 있는 집적회로(95) 및 금속배선(111)이 형성되어 있을 수 있다. 일례로, 도 1f에서와 같이 비아 퍼스트 구조를 구현하는 경우 상부절연막(102)은 절연막(109)일 수 있고, 기판(100)은 집적회로가 형성되지 아니한 베어 웨이퍼일 수 있다.The fabrication method of this embodiment can be applied to implement both non-ferromagnetic, non-ferromagnetic, and non-ferrous structures. 1B or 1C, the upper insulating
도 2b를 참조하면, 라이너막(106)을 형성할 수 있다. 라이너막(106)은 산화막(예: SiOx)이나 질화막(예: SiNx) 혹은 폴리머막과 같은 절연성 물질을 증착하여 형성할 수 있다. 라이너막(106)은 홀(104)의 내벽을 따라 콘포말하게 증착되어 U자 형상을 가질 수 있다. 라이너막(106)은 홀(104)의 내벽뿐만 아니라 상부절연막(102) 상에도 더 형성될 수 있다.Referring to FIG. 2B, a
도 2c를 참조하면, 홀(104)을 전도체로 채워 관통전극(108)을 형성할 수 있다. 관통전극(108)은 폴리실리콘, 금속 혹은 이들의 조합과 같은 전도체를 증착, 에피 성장, 도금 등의 공정으로 형성할 수 있다. 일례로, 구리나 텅스텐과 같은 금속 혹은 폴리실리콘을 기판(100) 상에 비교적 두껍게 증착하고 상부절연막(102)이 노출되도록 평탄화하여 관통전극(108)을 형성할 수 있다. 관통전극(108)을 구리로 형성할 경우 구리의 확산을 저지할 수 있는 배리어막을 형성할 필요가 있을 수 있다. 일례에 따르면, 라이너막(106)을 질화막(예: SiN, Si3N4)으로 형성할 경우 라이너막(106)이 구리의 배리어 역할을 할 수 있으므로 별도의 배리어막을 더 형성할 필요성이 줄어들거나 없을 수 있다.Referring to FIG. 2C, the
도 2d를 참조하면, 선택적으로 기판(100)의 상면(100a) 상에 관통전극(108)과 접속하는 상부배선(110)을 형성할 수 있다. 상부배선(110)은 금속을 증착하거나 혹은 도금하여 형성할 수 있다. 다른 예로, 기판(100)의 상면(100a) 상에 홀(104)이 채워지도록 비교적 충분한 두께의 금속을 증착하고 패터닝하여 관통전극(108)과 상부배선(110)을 동시에 형성할 수 있다. 다른 예로, 상부배선(110) 형성 공정을 스킵할 수 있다.Referring to FIG. 2D, an
도 2e를 참조하면, 기판(100)의 하면(100b)을 리세스하여 관통전극(108)을 노출시킬 수 있다. 상기 리세스 공정은 기판(100)을 구성하는 물질, 가령 실리콘을 선택적으로 제거할 수 있는 에천트를 이용한 식각 공정을 채택하여 관통전극(106)을 노출시킬 수 있는 하면(100c)이 드러날 때까지 진행할 수 있다. 다른 예로, 그라인더로써 관통전극(108)이 노출되지 않을 정도의 면(100d)까지 그라인딩하고, 상기 면(100d)을 식각하여 관통전극(108)을 노출시킬 수 있다. 다른 예로, 화학기계적 연마 공정으로 리세스 공정을 진행할 수 있다. 다른 예로, 그라인딩 혹은 화학기계적 연마 공정으로 상기 면(100d)까지 기판(100)을 제거하고, 상기 면(100d)을 스핀 에칭할 수 있다. 스핀 에칭(spin etching)은 기판(100)을 회전시키면서 상기 면(100d)에 에천트를 제공하여 진행할 수 있다. 스핀 에칭은 건식 혹은 습식 에칭일 수 있다. 일례로, 스핀 에칭은 불산(hydrofluoric acid)과 질산(nitric acid)의 혼합 용액을 혹은 그 혼합 용액의 증기상(vapor state)을 상기 면(100d)에 제공하여 진행할 수 있다. 다른 예로, 스핀 에칭은 브롬화수소(HBr)와 염소(Cl2)를 포함하는 혼합가스, 육불화황(SF6)과 염소(Cl2)를 포함하는 혼합가스, 또는 브롬화수소(HBr)와 염소(Cl2)와 육불화황(SF6)을 포함하는 혼합가스를 상기 면(100d)에 제공하여 진행할 수 있다. 그라인딩 혹은 화학기계적 연마 공정과 스핀 에칭을 가령 인시튜(in-situ)로 진행하므로써 비교적 빠른 시간에 리세스 공정을 진행할 수 있다. 리세스 공정시 기판(100)에 테이프 혹은 글래스 기판과 같은 지지체(93)를 접착하여, 지지체(93)로 하여금 기판(100)을 지지할 수 있게 하고 상면(100a)의 손상을 방지하게 할 수 있다. 기판(100)의 상면(100a)은 활성면이고, 하면(100c)은 비활성면일 수 있다. 하면(100c)은 대체로 수평 방향으로 평평할 수 있다. 본 명세서에선 상면(100a)은 활성면이라는 용어와 하면(100c)은 비활성면이라는 용어와 혼용하기로 한다.Referring to FIG. 2E, the
도 2f를 참조하면, 기판(100)의 비활성면(100c) 상에 마스크(92)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 활성면(100a)이 아래를 향하고 비활성면(100c)이 위를 향하도록 기판(100)을 뒤집은 다음에, 포토레지스트의 도포 및 패터닝으로 관통전극(108)의 주위를 둘러싸며 관통전극(108)의 측벽과는 이격된 마스크(92)를 형성할 수 있다. 마스크(92)를 이용한 식각 공정으로 기판(100)을 일부 제거하여 트렌치(111)를 형성할 수 있다. 트렌치(111)는 일측은 상부절연막(102)에 의해 막혀 있고 반대측은 개방된 형태일 수 있다. 마스크(92)는 애싱 공정으로 제거될 수 있다.Referring to FIG. 2F, a
본 실시예에 따르면, 이방성 건식 공정으로 관통전극(108)을 따라 수직 연장되고 관통전극(108)을 둘러싸는 트렌치(111)를 형성할 수 있다. 트렌치(111)에 의해 기판(100)의 내표면(100s)과, 관통전극(108)을 둘러싸는 라이너막(106)이 노출될 수 있다. 기판(100)의 내표면(100s)과 라이너막(106) 사이의 거리, 즉 트렌치(111)의 폭(W1)은 관통전극(108)을 따라 실질적으로 동일할 수 있다. 다른 예로, 트렌치(111)의 폭(W1)은 관통전극(108)을 따라 점점 작아지거나 커질 수 있다. 내표면(100s)은 활성면(100a)과 비활성면(100c)을 잇는 대체로 수직하거나 혹은 비스듬하게 일직선 형태로 연장된 면일 수 있다. According to the present embodiment, an anisotropic dry process may be used to form the
도 2g를 참조하면, 산화물이나 질화물 혹은 폴리머를 증착 공정(예: CVD)으로 증착하여 하부절연막(114)을 형성할 수 있다. 스텝 커버리지 특성 혹은 증착공정 조건에 따라 기판(100)의 비활성면(100c)으로부터 트렌치(111)의 내부로 확장된 하부절연막(114)이 형성될 수 있다. 일례로서, 하부절연막(114)이 트렌치(111)의 내부로 확장되게 하고 그리고 의도적으로 트렌치(111)의 입구나 그 근처에서 오버행(114d)이 발생되도록 하여 트렌치(111)의 입구가 하부절연막(114)에 의해 막히도록 할 수 있다. Referring to FIG. 2G, the lower insulating
도 2h를 참조하면, 하부절연막(114)에 의해 트렌치(111)가 밀폐되어 에어 갭(112)이 형성될 수 있다. 하부절연막(114)은 기판(100)의 비활성면(114a)을 덮는 외부 절연막(114a)과, 트렌치(111)의 내부로 확장된 내부 절연막(114b)을 포함할 수 있다. 비활성면(100c)으로부터 돌출된 관통전극(108)의 돌출부(108b)는 하부절연막(114)에 의해 감싸질 수 있다. 트렌치(111)의 내부에는 내부 절연막(114a)으로 둘러싸인 에어 갭(112)이 형성될 수 있다. 에어 갭(112)은 대체로 에어가 채워져 있어 1에 가까운 유전율을 가질 수 있다. 또는 에어 갭(112)은 진공 상태일 수 있어 유전율은 1일 수 있다. 관통전극(108)과 기판(100)의 내표면(100s)은 라이너막(106), 매우 낮은 유전율(예: 대략 1)을 가진 에어 갭(112), 그리고 내부 절연막(114b)에 의해 이격되고 전기적으로 절연될 수 있다.Referring to FIG. 2H, the
도 2i를 참조하면, 관통전극(108)의 돌출부(도 2h의 108b)를 평탄화 공정으로 제거할 수 있다. 평탄화 공정은 화학기계적 연마 공정, 그라인딩 공정, 건식 공정, 또는 이들의 조합 등을 채택하여 진행할 수 있다. 평탄화 공정은 비활성면(100c) 상에 외부 절연막(114a)이 남아있을 정도로 진행할 수 있다. 평탄화 공정시 관통전극(108)의 돌출부(108b)를 감싸는 라이너막(106)과 하부절연막(114)이 함께 제거될 수 있다.Referring to FIG. 2i, protrusions (108b in FIG. 2H) of the penetrating
도 2j를 참조하면, 기판(100)의 비활성면(100c) 상에 관통전극(108)과 접속하는 하부배선(116)을 선택적으로 형성할 수 있다. 이에 따라 도 1a에 도시된 바와 동일 유사한 반도체 소자(1)를 형성할 수 있다. 하부배선(116)은 재배선될 수 있다. 하부배선(116)에 연결단자로서 솔더볼(118)이 더 접속될 수 있다. 다른 예로, 하부배선(116)을 형성하지 아니하고 관통전극(108)에 솔더볼(118)을 직접 부착할 수 있다. 또 다른 예로, 상부배선(110) 상에 솔더볼을 더 부착할 수 있다. 또 다른 예로, 상부배선(110)을 형성하지 않은 경우 관통전극(108)에 솔더볼을 부착할 수 있다.
Referring to FIG. 2J, a
<방법예1의 변형예들>≪ Modifications of Method Example 1 >
도 2k 내지 2n은 도 2j의 변형예들을 도시한 단면도이다. 도 2k 내지 2n에 도시된 변형예들은 본 명세서에 개시된 모든 실시예들에게도 적용될 수 있다.Figures 2k to 2n are cross-sectional views illustrating variations of Figure 2j. The modifications shown in Figs. 2k to 2n may be applied to all the embodiments disclosed herein.
도 2k를 참조하면, 도 2b에서 이미 상술한 바와 같이 라이너막(106)을 상부절연막(102)을 덮도록 형성할 수 있다. 이에 따라, 라이너막(106)은 관통전극(108)의 측벽에서 기판(100)의 활성면(100a) 상으로 확장될 수 있다. Referring to FIG. 2K, the
도 2l을 참조하면, 트렌치(111)는 상부절연막(102)을 더 관통하여 형성될 수 있고, 이에 따라 에어 갭(112)이 확장될 수 있다. 확장된 트렌치(111)를 형성할 때 상부절연막(102)과 함께 라이너막(106)이 식각되어 관통전극(108)의 측벽에 식각 손상이 가해질 수 있다. 라이너막(106)의 식각을 방지하기 위해 상부절연막(102)과 라이너막(106)은 식각선택비가 있는 물질로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 21, the
도 2m을 참조하면, 비활성면(100c) 상에 절연체를 비교적 빠르게 증착하여 트렌치(111)의 입구에서 오버행이 발생하도록 하고 절연체가 트렌치(111)의 내부로 더 확장되지 않게 할 수 있다. 이에 따르면, 트렌치(111)의 입구를 막는 내부 절연막(114b)과 비활성면(100c)을 덮는 외부 절연막(114a)을 포함하는 하부절연막(114)을 형성할 수 있다. 트렌치(111)는 내부 절연막(114b)에 의해 밀폐되어 에어 갭(112)으로 형성될 수 있다. 관통전극(108)과 기판(100)의 내표면(100s)은 라이너막(106)과 에어 갭(112)에 의해 이격되고 전기적으로 절연될 수 있다. 라이너막(106)은 기판(100)의 내표면(100s)과 관통전극(108)이 직접 접촉하는 것을 막을 수 있다.Referring to FIG. 2m, an insulator may be deposited relatively quickly on the
도 2n을 참조하면, 라이너막(106)을 형성하는 공정을 스킵할 수 있다. 내부 절연막(114b)은 관통전극(108)의 측벽을 감싸므로 라이너막 역할을 할 수 있다.
Referring to Figure 2n, the process of forming the
<방법예 2>≪ Method 2 >
도 3a 내지 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 단면도이다. 도 3d는 도 3c의 변형예를 도시한 단면도이다.3A to 3C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. FIG. 3D is a sectional view showing a modification of FIG. 3C.
도 3a를 참조하면, 도 2a 내지 2f에서 설명한 바와 동일 유사한 공정으로 기판(100)을 선택적으로 식각하여 관통전극(108)의 주위를 둘러싸는 트렌치(111)를 형성할 수 있다. 하부절연막(도 3b의 114)을 형성하기 이전에 제2 하부절연막(134)을 형성할 수 있다. 제2 하부절연막(134)은 기판(100)의 비활성면(100c)의 프로파일을 따라 굴곡된 형태로 형성될 수 있다. 제2 하부절연막(134)은 트렌치(111)의 내벽을 따라 콘포말하게 형성될 수 있고, 이에 따라 관통전극(108)의 측벽 상에 라이너막(106)과 제2 하부절연막(134)이 중첩될 수 있다. 제2 하부절연막(134)은 기판(100)의 비활성면(100c)을 덮고 관통전극(108)을 감싸는 형태로 형성될 수 있다. 일례로서, 절연체(예: 산화막, 질화막, 폴리머 등)를 증착하여 제2 하부절연막(134)을 형성하되, 트렌치(111)의 입구를 막지 않을 정도의 비교적 느린 성장 속도를 가지는 증착 공정을 채택할 수 있다.Referring to FIG. 3A, the
도 3b를 참조하면, 제2 하부절연막(134) 상에 하부절연막(114)을 형성할 수 있다. 일례로, 제2 하부절연막(134) 상에 절연체를 비교적 빠르게 증착하여 트렌치(111)의 입구에서 오버행이 발생하도록 하여 하부절연막(114)을 형성할 수 있다. 하부절연막(114)은 비활성면(100c) 상에서 제2 하부절연막(134)을 덮는 외부 절연막(114a)과, 트렌치(111)의 입구를 막는 내부 절연막(114b)을 포함할 수 있다. 내부 절연막(114b)은 트렌치(111)의 내부로 더 확장되지 않을 수 있다. 본 실시예에 의하면, 제2 하부절연막(134)과 내부 절연막(114a)에 의해 둘러싸인 에어 갭(112)이 형성될 수 있다. 기판(100)의 비활성면(100c) 상에는 제2 하부절연막(134) 상에 외부 절연막(114a)이 적층된 이중막 구조가 형성될 수 있고, 트렌치(111)의 내부에는 제2 하부절연막(134)으로 구성된 단일막 구조가 형성될 수 있다.Referring to FIG. 3B, a lower insulating
도 3c를 참조하면, 평탄화 공정으로 관통전극(108)의 돌출부(도 3b의 108b)를 제거할 수 있다. 선택적으로, 관통전극(108)과 접속하는 하부배선(116)을 더 형성할 수 있다. 평탄화 공정에 의해 관통전극(108)의 돌출부(108b)를 감싸는 하부절연막(114), 제2 하부절연막(134) 및 라이너막(106)이 더 제거될 수 있다. 관통전극(108)과 기판(100)의 내표면(100s) 사이에는 에어 갭(112)이 형성되어 있어 관통전극(108)은 기판(100)과 전기적으로 절연될 수 있다. 아울러, 관통전극(108)의 측벽 상에 라이너막(106)과 제2 하부절연막(134)이 이중으로 형성되어 있고, 기판(100)의 내표면(100s)에는 제2 하부절연막(134)이 형성되어 있기 때문에 기판(100)의 내표면(100s)과 관통전극(108)의 접촉이 방지될 수 있다. 관통전극(108)이 구리를 포함하는 경우 라이너막(106)과 제2 하부절연막(134) 중 적어도 어느 하나를 질화막으로 형성하여 구리 확산 배리어막 역할을 하게 할 수 있다.Referring to FIG. 3C, the projecting portion (108b in FIG. 3B) of the penetrating
다른 예로, 도 3d에 도시된 바와 같이, 제2 하부절연막(134)을 형성한 다음에 하부절연막(134)을 형성하지 아니하고 관통전극(108)의 돌출부(도 3b의 108b)를 제거하는 평탄화 공정을 진행할 수 있다. 관통전극(108)에는 솔더볼(119)을 부착할 수 있다. 본 실시예에 의하면, 트렌치(111)는 개방된 형태를 지니게 되고 관통전극(108)과 기판(100)의 내표면(100s) 사이에 제공되는 에어 갭 역할을 할 수 있다.
As another example, as shown in FIG. 3D, a planarization process (see FIG. 3B) in which the protruding portion (108b in FIG. 3B) of the penetrating
<방법예 3>≪ Method 3 >
도 4a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 단면도이다.4A to 4C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 4a를 참조하면, 도 2a 내지 2f에서 설명한 바와 동일 유사한 공정으로 기판(100)을 선택적으로 식각하여 관통전극(108)의 주위를 둘러싸는 트렌치(111)를 형성할 수 있다. 예컨대, 기판(100)의 비활성면(100c) 상에 마스크(92)를 형성하고, 마스크(92)를 이용한 등방성 건식 식각으로 기판(100)을 식각하여 트렌치(111)를 형성할 수 있다. 본 실시예에 의하면, 마스크(92)로 덮혀진 기판(100)이 언더 컷팅되어 기판(100)의 내표면(100s)은 관통전극(108)을 바라보는 방향으로 대체로 오목한 형태를 가질 수 있다. 이에 따라, 트렌치(111)는 그 폭(W2)이 관통전극(108)을 따라 증가하였다가 감소하는 볼록한 프로파일을 가질 수 있다.Referring to FIG. 4A, the
도 4b를 참조하면, 기판(100)의 비활성면(100c)과 관통전극(108)의 돌출부(108b)를 덮는 하부절연막(114)을 형성할 수 있다. 하부절연막(114)은 비활성면(100c)을 덮는 외부 절연막(114a)과, 트렌치(111)의 내부로 확장되고 트렌치(111)의 입구를 막는 내부 절연막(114b)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 트렌치(111)의 내부에는 내부 절연막(114b)으로 둘러싸인 대체로 볼록한 프로파일을 갖는 에어 갭(112)이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 4B, a lower insulating
도 4c를 참조하면, 평탄화 공정으로 관통전극(108)의 돌출부(도 4b의 108b)를 제거할 수 있다. 선택적으로 관통전극(108)과 접속하는 하부배선(116) 및/또는 솔더볼(118)을 더 형성할 수 있다. 본 일례에 따르면, 에어 갭(112)은 볼록한 프로파일을 가질 수 있으므로 관통전극(108)과 기판(100)과의 접촉 가능성을 최소화할 수 있다.
Referring to FIG. 4C, the projecting portion (108b in FIG. 4B) of the penetrating
<방법예 4>≪ Method 4 >
도 5a 내지 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 단면도이다.5A to 5C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 5a를 참조하면, 도 2a 내지 2f에서 설명한 바와 동일 유사한 공정으로 기판(100)을 선택적으로 식각하여 관통전극(108)의 주위를 둘러싸는 트렌치(111)를 형성할 수 있다. 예컨대, 등방성 식각과 폴리머 증착을 수회 반복하여 관통전극(108)과 인접한 기판(100)의 일부를 제거할 수 있다. 이에 따르면, 기판(100)의 내표면(100s)은 언더 컷팅된 오목한 형태가 반복되므로써, 물결(scallop) 모양의 트렌치(111)가 형성될 수 있다. 트렌치(111)의 폭(W3)은 관통적극(108)의 측벽을 따라 증감을 반복할 수 있다. 상기 등방성 식각과 폴리머 증착의 반복 횟수를 늘릴수록 기판(100)의 내표면(100s)이 물결(scallop) 패턴에서 플랫(flat) 패턴으로 변하게 될 수 있다. 따라서, 등방성 식각 공정을 이용한다 하더라도 이방성 식각 공정을 이용한 것과 동일 유사하게 수직한(vertical) 측벽을 갖는 트렌치(111)를 형성할 수 있다.Referring to FIG. 5A, the
도 5b를 참조하면, 기판(100)의 비활성면(100c)과 관통전극(108)의 돌출부(108b)를 덮는 하부절연막(114)을 형성할 수 있다. 하부절연막(114)은 기판(100)의 비활성면(100c)을 덮는 외부 절연막(114a)과, 트렌치(111)의 내부로 확장된 내부 절연막(114b)을 포함할 수 있다. 트렌치(111)의 내부엔 내부 절연막(114a)으로 둘러싸인 대체로 물결 형태의 프로파일을 갖는 에어 갭(112)이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 5B, a lower insulating
도 5c를 참조하면, 평탄화 공정으로 관통전극(108)의 돌출부(도 5b의 108b)를 제거하고, 선택적으로 관통전극(108)과 접속하는 하부배선(116) 및/또는 솔더볼(118)을 더 형성할 수 있다.
5C, the protruding portion (108b in FIG. 5B) of the penetrating
<방법예 5>≪ Method 5 >
도 6a 내지 6f는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 단면도이다. 도 6g 및 6h는 도 6f의 변형예들을 도시한 단면도이다.6A to 6F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. Figs. 6G and 6H are cross-sectional views showing variations of Fig. 6F.
도 6a를 참조하면, 기판(100)을 식각 혹은 레이저 드릴링하여 홀(104)을 형성하고, 그 홀(104) 내에 희생막(136)과 라이너막(106)을 형성할 수 있다. 라이너막(106)과 희생막(136)은 산화막, 질화막, 혹은 폴리머막을 증착하여 형성할 수 있다. 희생막(136)은 홀(104)의 내벽을 따라 U자 형상으로 형성할 수 있다. 다른 예로, 희생막(136)은 홀(104) 내벽을 따라 그리고 기판(100)의 활성면(100a)을 따라 연장되는 형상으로 형성할 수 있다. 라이너막(106)은 희생막(136)과 식각선택비가 있는 물질을 증착하여 희생막(136)과 기판(100)의 활성면(100a)을 덮는 형태로 형성할 수 있다. 일례로, 라이너막(106)은 산화막이나 질화막으로 형성하고, 희생막(136)은 폴리머막으로 형성할 수 있다. 다른 예로, 라이너막(106)은 폴리머막이나 질화막으로 형성하고 희생막(136)은 산화막으로 혹은 이의 역으로 형성할 수 있다. 다른 예로, 기판(100)이 단결정 실리콘으로 구성된 경우, 희생막(136)은 다결정 실리콘으로 형성하고, 라이너막(106)은 산화막이나 질화막으로 형성할 수 있다.6A, a
도 6b를 참조하면, 홀(104) 내에 관통전극(108)을 형성할 수 있다. 관통전극(108)은 홀(104) 내에서 라이너막(106)을 덮는 형태로 형성할 수 있다. 관통전극(108)과 연결되는 상부배선(110)을 더 형성할 수 있다. 다른 예로, 관통전극(108)과 상부배선(110)을 동시에 형성할 수 있다. 또 다른 예로, 상부배선(110)의 형성 과정을 스킵할 수 있다.Referring to FIG. 6B, a penetrating
도 6c를 참조하면, 기판(100)을 구성하는 물질, 가령 실리콘을 선택적으로 제거할 수 있는 에천트를 이용한 식각 공정, 그라인딩 공정, 화학기계적 연마 공정, 스핀 에칭 공정, 혹은 이들의 조합 등으로 기판(100)의 하면(100b)을 리세스할 수 있다. 상기 리세스에 의해 기판(100)의 두께가 얇아지게 되어 관통전극(108)을 노출시키는 비활성면(100c)이 생성될 수 있다. 상기 리세스 공정은 관통전극(108)을 감싸는 희생막(136)의 일부를 노출시킬 수 있다.Referring to FIG. 6C, the
도 6d를 참조하면, 희생막(도 6c의 136)을 선택적으로 제거할 수 있는 에천트를 이용한 식각 공정으로 희생막(136)을 제거할 수 있다. 일례로, 희생막(136)은 기판(100)을 뒤집은 다음에 제거할 수 있다. 이에 따라, 관통전극(108)을 따라 연장된 트렌치(111)가 형성될 수 있다. 희생막(136)을 폴리머막으로 형성한 경우 애싱 공정으로 희생막(136)을 제거하여 트렌치(111)를 형성할 수 있다. 다결정 실리콘과 단결정 실리콘은 식각 속도가 상이할 수 있다. 일례로, 희생막(136)이 다결정 실리콘으로 형성한 경우, 단결정 실리콘인 기판(100)에 비해 식각 속도가 상대적으로 크므로 희생막(136)이 선택적으로 제거되어 트렌치(111)가 형성될 수 있다.Referring to FIG. 6D, the
도 6e를 참조하면, 기판(100)의 비활성면(100c)과 관통전극(108)의 돌출부(108b)을 덮는 하부절연막(114)을 형성할 수 있다. 하부절연막(114)은 기판(100)의 비활성면(100c)을 덮는 외부 절연막(114a)과, 트렌치(111)의 내부로 확장되어 트렌치(111)의 입구를 막는 내부 절연막(114b)을 포함할 수 있다. 트렌치(111)의 내부엔 내부 절연막(114a)으로 둘러싸인 에어 갭(112)이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 6E, a lower insulating
도 6f를 참조하면, 평탄화 공정으로 관통전극(108)의 돌출부(도 6e의 108b)를 제거할 수 있다. 선택적으로, 관통전극(108)과 접속하는 하부배선(116) 및/또는 솔더볼(118)을 더 형성할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 기판(100)을 식각하지 아니하고 트렌치(111)를 형성할 수 있기 때문에 기판(100)에 가해지는 식각 손상을 없앨 수 있다.Referring to FIG. 6F, the projecting portion (108b in FIG. 6E) of the penetrating
다른 예로, 도 6g에 도시된 바와 같이, 기판(100)의 활성면(100a) 상에 상부절연막(102)이 더 형성되어 있을 수 있다. 트렌치(111)는 상부절연막(102)을 더 관통하여 형성될 수 있고, 따라서 에어 갭(112)은 상부배선(110)쪽으로 확장될 수 있다.As another example, an upper
다른 예로, 도 6h에서 보여지듯이, 하부절연막(114)의 내부 절연막(114b)은 트렌치(111)의 입구를 막을 수 있는 정도로 트렌치(111)의 내부로 제한적으로 확장될 수 있다. 에어 갭(112)은 내부 절연막(114b)으로 둘러싸이지 아니할 수 있다.
6H, the inner
<방법예 6>≪ Method 6 >
도 7a 내지 7f는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 단면도이다. 도 7g 및 7h는 도 7f의 변형예들을 도시한 단면도이다.7A to 7F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. Figs. 7G and 7H are cross-sectional views showing variations of Fig. 7F.
도 7a를 참조하면, 기판(100)을 식각하거나 레이저 드릴링하여 홀(104)을 형성하고, 그 홀(104) 내에 라이너막(106)을 형성할 수 있다. 라이너막(106)은 홀(104)의 내벽을 따라 U자 형상을 가질 수 있다. 다른 예로, 라이너막(106)은 홀(104)의 내벽을 따라 그리고 기판(100)의 활성면(100a)을 따라 연장되는 형상으로 형성할 수 있다. 홀(104) 내에 희생막(136)을 형성할 수 있다. 희생막(136)은 라이너막(106)과 식각 선택비가 있는 물질을 증착하여 홀(104) 내에서 라이너막(106)을 덮는 형태로 형성할 수 있다. 일례로, 라이너막(106)은 산화막이나 질화막으로 형성하고, 희생막(136)은 폴리머막으로 형성할 수 있다. 다른 예로, 라이너막(106)은 폴리머막이나 질화막으로 형성하고 희생막(136)은 산화막으로 혹은 이의 역으로 형성할 수 있다. 다른 예로, 희생막(136)은 다결정 실리콘막으로 형성하고 라이너막(106)은 질화막이나 산화막 혹은 폴리머막으로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 7A, a
도 7b를 참조하면, 홀(104) 내에 관통전극(108)을 형성할 수 있다. 관통전극(108)은 홀(104) 내에서 희생막(136)을 덮는 형태로 형성할 수 있다. 관통전극(108)과 연결되는 상부배선(110)을 더 형성할 수 있다. 관통전극(108)과 상부배선(110)은 동시에 형성할 수 있다. 또는 상부배선(110)을 형성하지 않을 수 있다.Referring to FIG. 7B, a penetrating
도 7c를 참조하면, 식각, 그라인딩, 화학기계적 연마, 스핀 에칭, 혹은 이들을 조합한 공정으로 기판(100)의 하면(100b)을 리세스하여 관통전극(108)을 노출시킬 수 있다. 상기 리세스 공정에 의해 기판(100)은 두께가 얇아지고 하면(100b)에 비해 활성면(100a)에 더 인접한 비활성면(100c)이 형성될 수 있다. 라이너막(106)은 비활성면(100c)으로부터 노출될 수 있고, 노출된 라이너막(106)을 선택적으로 제거할 수 있다.Referring to FIG. 7C, the
도 7d를 참조하면, 희생막(도 7c의 136)을 선택적으로 제거할 수 있는 에천트를 이용한 식각 공정으로 희생막(136)을 제거할 수 있다. 이에 따라, 관통전극(108)을 따라 연장된 트렌치(111)가 형성될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 라이너막(106)은 기판(100)의 내표면(100s) 상에 제공될 수 있다.Referring to FIG. 7D, the
도 7e를 참조하면, 기판(100)의 비활성면(100c)과 관통전극(108)의 돌출부(108b)를 덮는 하부절연막(114)을 형성할 수 있다. 하부절연막(114)은 기판(100)의 비활성면(114a)을 덮는 외부 절연막(114a)과, 트렌치(111)의 내부로 확장되어 트렌치(111)의 입구를 막아 에어 갭(112)을 형성하는 내부 절연막(114b)을 포함할 수 있다. 7E, a lower insulating
도 7f를 참조하면, 평탄화 공정으로 관통전극(108)의 돌출부(도 7e의 108b)를 제거하고, 선택적으로 관통전극(108)과 접속하는 하부배선(116) 및/또는 솔더볼(118)을 더 형성할 수 있다. 본 실시예에 의하면 라이너막(106)이 기판(100)의 내표면(100s) 상에 형성되어 있더라도, 내부 절연막(114b)이 트렌치(111)의 내부로 확장되어 형성될 수 있으므로 관통전극(108)의 측벽에 라이너막이 형성된 것과 동일 유사한 구조를 얻을 수 있다.7F, the protruding portion (108b in FIG. 7E) of the penetrating
다른 예로, 도 7g에 도시된 바와 같이, 기판(100)의 활성면(100a) 상에 상부절연막(102)이 더 형성되어 있을 수 있다. 트렌치(111)는 상부절연막(102)을 더 관통하여 형성될 수 있고, 이에 따라 에어 갭(112)이 상부배선(110)쪽으로 확장될 수 있다.As another example, an upper
다른 예로, 도 7h에 보여지듯이, 하부절연막(114)의 내부 절연막(114b)은 트렌치(111)의 입구를 막을 수 있는 정도로 트렌치(111)의 내부로 제한적으로 확장될 수 있다.
7H, the inner
<응용예><Application example>
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자를 구비한 메모리 카드를 도시한 블록도이다.8A is a block diagram illustrating a memory card having a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 8a를 참조하면, 메모리 카드(1200)는 호스트와 메모리(1210) 간의 제반 데이터 교환을 제어하는 메모리 컨트롤러(1220)를 포함할 수 있다. 에스램(1221)은 중앙처리장치(1222)의 동작 메모리로서 사용될 수 있다. 호스트 인터페이스(1223)는 메모리 카드(1200)와 접속되는 호스트의 데이터 교환 프로토콜을 구비할 수 있다. 오류 수정 코드(1224)는 메모리(1210)로부터 독출된 데이터에 포함되는 오류를 검출 및 정정할 수 있다. 메모리 인터페이스(1225)는 메모리(1210)와 인터페이싱한다. 중앙처리장치(1222)는 메모리 컨트롤러(1220)의 데이터 교환을 위한 제반 제어 동작을 수행할 수 있다. 메모리(1210)는 본 발명의 실시예에 따른 관통전극을 갖는 반도체 메모리 소자(1)를 포함할 수 있다.8A, a
도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자를 응용한 정보 처리 시스템을 도시한 블록도이다.8B is a block diagram illustrating an information processing system using semiconductor devices according to an embodiment of the present invention.
도 8b를 참조하면, 정보 처리 시스템(1300)은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자들(1)를 구비한 메모리 시스템(1310)을 포함할 수 있다. 정보 처리 시스템(1300)은 모바일 기기나 컴퓨터 등을 포함할 수 있다. 일례로, 정보 처리 시스템(1300)은 시스템 버스(1360)에 전기적으로 연결된 메모리 시스템(1310), 모뎀(1320), 중앙처리장치(1330), 램(1340), 유저인터페이스(1350)를 포함할 수 있다. 메모리 시스템(1310)은 메모리(1311)와 메모리 컨트롤러(1312)를 포함할 수 있고, 도 8a의 메모리 카드(1200)와 실질적으로 동일하게 구성될 수 있다. 이러한 메모리 시스템(1310)에는 중앙처리장치(1330)에 의해서 처리된 데이터 또는 외부에서 입력된 데이터가 저장될 수 있다. 정보 처리 시스템(1300)은 메모리 카드, 반도체 디스크 장치(Solid State Disk), 카메라 이미지 프로세서(Camera Image Sensor) 및 그 밖의 응용 칩셋(Application Chipset)으로 제공될 수 있다.
8B, an
이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise form disclosed, and it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit of the invention. The appended claims should be construed to include other embodiments.
Claims (32)
상기 기판을 관통하는 관통전극과;
상기 기판과 상기 관통전극 사이에 제공된 트렌치와;
상기 관통전극의 측벽 상에 제공된 절연성 라이너막; 그리고
상기 기판의 비활성면을 덮으며, 상기 트렌치의 내부로 확장되어 상기 트렌치의 내부에 상기 기판과 상기 관통전극 사이에 에어 갭을 형성하는 하부절연막을;
포함하되,
상기 하부절연막은:
상기 기판의 비활성면을 덮는 외부 절연막과; 그리고
상기 외부 절연막으로부터 연장되어 상기 트렌치의 내부로 연장되고, 상기 트렌치의 입구를 밀봉하여 상기 에어 갭을 정의하는 내부 절연막을 포함하고,
상기 트렌치의 내측벽들 및 상기 절연성 라이너막은 상기 에어갭에 부분적으로 노출되고, 노출된 상기 트렌치의 상기 내측벽들 및 노출된 상기 절연성 라이너막은 상기 에어갭의 가장자리를 정의하는 반도체 소자.A substrate comprising an active surface and an inactive surface opposite thereto;
A penetrating electrode passing through the substrate;
A trench provided between the substrate and the penetrating electrode;
An insulating liner film provided on a sidewall of the penetrating electrode; And
A lower insulating layer covering an inactive surface of the substrate and extending into the trench to form an air gap between the substrate and the penetrating electrode in the trench;
Including,
Wherein the lower insulating film comprises:
An external insulating layer covering the inactive surface of the substrate; And
And an inner insulating film extending from the outer insulating film to extend into the trench and defining an air gap by sealing an inlet of the trench,
The inner walls of the trench and the insulating liner film are partially exposed to the air gap, and the inner walls of the exposed trench and the exposed insulating liner film define the edge of the air gap.
상기 기판 및 상기 관통 전극 사이의 거리는 상기 절연성 라이너막의 두께보다 더 두꺼운 반도체 소자. The method according to claim 1,
Wherein the distance between the substrate and the penetrating electrode is thicker than the thickness of the insulating liner film.
상기 기판의 활성면을 덮는 상부절연막을 더 포함하고, 상기 트렌치는 상기 기판의 비활성면을 향하는 일측이 개방되고 상기 기판의 활성면을 향하는 타측이 상기 상부절연막에 의해 밀폐된 반도체 소자.The method according to claim 1,
And an upper insulating layer covering an active surface of the substrate, wherein the trench is open at one side toward the inactive surface of the substrate and the other side toward the active surface of the substrate is sealed by the upper insulating layer.
상기 기판과 상기 상부절연막 사이에 제공된 층간절연막을 더 포함하고, 상기 관통전극은 상기 층간절연막을 더 관통하는 반도체 소자.6. The method of claim 5,
Further comprising an interlayer insulating film provided between the substrate and the upper insulating film, wherein the penetrating electrode further penetrates the interlayer insulating film.
상기 에어 갭은 상기 기판의 비활성면 및 활성면 사이에서 상기 관통전극의 측벽을 따라 수직하게 연장된 반도체 소자.The method according to claim 6,
Wherein the air gap extends vertically along a side wall of the penetrating electrode between an inactive surface and an active surface of the substrate.
상기 에어 갭은 상기 기판의 비활성면 및 상기 상부절연막 사이에서 상기 관통전극의 측벽을 따라 수직하게 연장된 반도체 소자.The method according to claim 6,
Wherein the air gap extends vertically along the side wall of the penetrating electrode between the inactive surface of the substrate and the upper insulating film.
상기 기판을 관통하는 관통전극과;
상기 기판과 상기 관통전극 사이에 제공된 트렌치와;
상기 관통전극의 측벽 상에 제공된 절연성 라이너막; 그리고
상기 기판의 비활성면을 덮으며, 상기 트렌치의 내부로 확장되어 상기 트렌치의 내부에 상기 기판과 상기 관통전극 사이에 에어 갭을 형성하는 하부절연막을;포함하되,
상기 하부절연막은 제1 하부절연막과 제2 하부절연막을 포함하고,
상기 제1 하부절연막은 상기 기판의 비활성면을 덮는 외부 절연막과 상기 외부 절연막으로부터 연장되어 상기 트렌치를 밀폐시키는 내부 절연막을 포함하고; 그리고
상기 제2 하부절연막은 상기 기판의 비활성면과 상기 외부 절연막 사이에 그리고 상기 트렌치의 내부로 제공되어, 상기 외부 절연막과 함께 상기 기판의 비활성면을 덮으며 상기 내부 절연막과 함께 상기 에어 갭을 정의하는 벽을 이루는 반도체 소자.
A substrate comprising an active surface and an inactive surface opposite thereto;
A penetrating electrode passing through the substrate;
A trench provided between the substrate and the penetrating electrode;
An insulating liner film provided on a sidewall of the penetrating electrode; And
And a lower insulating layer covering the inactive surface of the substrate and extending to the inside of the trench to form an air gap between the substrate and the penetrating electrode in the trench,
Wherein the lower insulating film includes a first lower insulating film and a second lower insulating film,
Wherein the first lower insulating film includes an outer insulating film covering the inactive surface of the substrate and an inner insulating film extending from the outer insulating film to seal the trench; And
Wherein the second lower insulating film is provided between the inactive surface of the substrate and the external insulating film and into the trench so as to cover the inactive surface of the substrate with the external insulating film and define the air gap with the internal insulating film A semiconductor device that forms a wall.
상기 기판을 수직하게 관통하며, 상기 기판의 상기 내표면과 이격된 관통전극과;
상기 기판의 상기 내표면과 상기 관통전극의 측벽 사이에 제공된, 상기 관통전극을 따라 연장된 에어 갭과;
상기 기판의 상기 내표면 및 상기 관통전극의 사이의 절연성 라이너막; 그리고
상기 에어 갭을 정의하는 하부절연막을;포함하고,
상기 기판은 상기 기판과 상기 관통전극 사이에 제공된 트렌치를 갖고,
상기 하부절연막은:
상기 비활성면을 덮는 외부 절연막과; 그리고
상기 외부 절연막으로부터 연장되어 상기 트렌치의 내부로 확장되고, 상기 트렌치의 입구를 밀봉하여 상기 에어 갭을 정의하는 내부 절연막을 포함하는 반도체 소자.A substrate including a horizontal active surface, an inactive surface opposite to the active surface, and an inner surface connecting the active surface and the inactive surface;
A penetrating electrode vertically penetrating the substrate and spaced apart from the inner surface of the substrate;
An air gap extending between the inner surface of the substrate and a sidewall of the penetrating electrode, the air gap extending along the penetrating electrode;
An insulating liner film between the inner surface of the substrate and the penetrating electrode; And
And a lower insulating film defining the air gap,
Wherein the substrate has a trench provided between the substrate and the penetrating electrode,
Wherein the lower insulating film comprises:
An external insulating film covering the inactive surface; And
And an inner insulating film extending from the outer insulating film and extending to the inside of the trench, and sealing the entrance of the trench to define the air gap.
상기 내부 절연막은 상기 기판의 상기 내표면과 상기 관통전극의 측벽 상에 제공되며,
상기 내부 절연막은 상기 에어 갭을 정의하는 벽을 이루는 반도체 소자.11. The method of claim 10,
Wherein the inner insulating film is provided on the inner surface of the substrate and the side wall of the penetrating electrode,
Wherein the inner insulating film forms a wall defining the air gap.
상기 절연성 라이너막은 상기 관통전극의 상기 측벽을 덮고,
상기 관통전극과 상기 에어 갭 사이에는 상기 내부 절연막과 절연성 상기 라이너막이 개재되고, 상기 내표면과 상기 에어 갭 사이에는 상기 내부 절연막이 개재된 반도체 소자.
12. The method of claim 11,
Wherein the insulating liner film covers the side wall of the penetrating electrode,
Wherein the inner insulating film is interposed between the penetrating electrode and the air gap, and the inner insulating film is interposed between the inner surface and the air gap.
상기 절연성 라이너막은 상기 기판의 상기 내표면을 덮고,
상기 내표면과 상기 에어 갭 사이에는 상기 절연성 라이너막과 상기 내부 절연막이 개재되고, 상기 관통전극과 상기 에어 갭 사이에는 상기 내부 절연막이 개재된 반도체 소자.
12. The method of claim 11,
Wherein the insulating liner film covers the inner surface of the substrate,
Wherein the insulating liner film and the inner insulating film are interposed between the inner surface and the air gap, and the inner insulating film is interposed between the penetrating electrode and the air gap.
상기 외부 절연막은 이중막이고, 상기 내부 절연막은 단일막인 반도체 소자.12. The method of claim 11,
Wherein the external insulating film is a double film, and the internal insulating film is a single film.
상기 내표면은:
상기 관통전극을 따라 연장된 직선 형태;
상기 관통전극을 향하는 방향으로 오목한 형태; 및
상기 관통전극을 향하는 방향으로 오목한 형태가 반복되는 물결 형태;
중에서 어느 하나인 반도체 소자.11. The method of claim 10,
Said inner surface comprising:
A linear shape extending along the penetrating electrode;
A concave shape in a direction toward the penetrating electrode; And
A wave form in which a concave shape is repeated in a direction toward the through electrode;
Wherein the semiconductor device is a semiconductor device.
상기 활성면 상에 배치된 집적회로와;
상기 활성면 상에 제공되어 상기 집적회로를 덮는 층간절연막과; 그리고
상기 층간절연막을 덮는 상부절연막을;
더 포함하는 반도체 소자.11. The method of claim 10,
An integrated circuit disposed on the active surface;
An interlayer insulating film provided on the active surface to cover the integrated circuit; And
An upper insulating film covering the interlayer insulating film;
.
상기 활성면과 상기 층간절연막과 그리고 상기 상부절연막 중 어느 하나 상에 제공되어 상기 관통전극을 상기 집적회로에 전기적으로 연결하는 상부배선과, 상기 하부절연막 상에 제공되어 상기 관통전극을 외부 장치에 전기적으로 연결하는 하부배선 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 반도체 소자.17. The method of claim 16,
An upper wiring provided on one of the active surface, the interlayer insulating film, and the upper insulating film to electrically connect the penetrating electrode to the integrated circuit, and an upper wiring provided on the lower insulating film to electrically connect the penetrating electrode to an external device And a lower wiring connected to the semiconductor chip.
상기 상부배선은 상기 층간절연막 상에 제공되고,
상기 관통전극은 상기 층간절연막을 더 관통하여 상기 상부배선과 연결되고,
상기 에어 갭은 상기 비활성면과 상기 활성면 사이에, 혹은 상기 비활성면과 상기 상부배선 사이에 제공된 반도체 소자.18. The method of claim 17,
The upper wiring is provided on the interlayer insulating film,
Wherein the penetrating electrode is further connected to the upper wiring through the interlayer insulating film,
Wherein the air gap is provided between the inactive surface and the active surface, or between the inactive surface and the top wiring.
상기 상부배선은 상기 상부절연막 상에 제공되고,
상기 관통전극은 상기 층간절연막 및 상기 상부배선을 더 관통하여 상기 상부배선과 연결되고,
상기 에어 갭은 상기 비활성면과 상기 활성면 사이에, 혹은 상기 비활성면과 상기 상부배선 사이에 제공된 반도체 소자.18. The method of claim 17,
The upper wiring is provided on the upper insulating film,
The penetrating electrode is further connected to the upper wiring through the interlayer insulating film and the upper wiring,
Wherein the air gap is provided between the inactive surface and the active surface, or between the inactive surface and the top wiring.
상기 상부배선은 상기 활성면 상에 제공되고,
상기 관통전극은 상기 기판을 관통하여 상기 상부배선과 연결되고,
상기 에어 갭은 상기 비활성면과 상기 상부배선 사이에 제공된 반도체 소자.18. The method of claim 17,
The upper wiring is provided on the active surface,
The penetrating electrode is connected to the upper wiring through the substrate,
And the air gap is provided between the inactive surface and the upper wiring.
상기 상면으로부터 상기 하면을 향해 상기 기판을 부분적으로 관통하는 관통전극을 형성하고;
상기 하면을 리세스하여 상기 관통전극의 일부를 노출시키는 상기 기판의 비활성면을 정의하고;
상기 관통전극을 둘러싸며, 상기 관통전극을 상기 기판으로부터 이격시키는 트렌치를 형성하고;
상기 비활성면을 덮는 하부절연막을 형성하고; 그리고\
상기 트렌치의 내부에 상기 하부절연막으로 둘러싸인 에어 갭을 형성하는 것을;포함하되,
상기 관통전극을 형성하는 것은:
상기 기판에 상기 상면으로부터 상기 하면을 향해 연장된 홀을 형성하고;
상기 홀의 내벽을 따라 연장된 절연성 라이너막과 희생막을 형성하고; 그리고
상기 절연성 라이너막 및 희생막을 덮으며 상기 홀을 채우는 도전막을 형성하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조방법.Providing a substrate comprising an upper surface and a lower surface opposite to the upper surface;
Forming a penetrating electrode partially penetrating the substrate from the upper surface toward the lower surface;
Defining an inactive surface of the substrate that recesses the bottom surface to expose a portion of the through electrode;
Forming a trench that surrounds the penetrating electrode and separates the penetrating electrode from the substrate;
Forming a lower insulating film covering the inactive surface; And\
Forming an air gap surrounded by the lower insulating film in the trench,
The penetrating electrode is formed by:
Forming a hole in the substrate extending from the upper surface toward the lower surface;
Forming an insulating liner film and a sacrificial film extending along the inner wall of the hole; And
And forming a conductive film covering the insulating liner film and the sacrificial film to fill the hole.
상기 상면으로부터 상기 하면을 향해 상기 기판을 부분적으로 관통하는 관통전극을 형성하고;
상기 하면을 리세스하여 상기 관통전극의 일부를 노출시키는 상기 기판의 비활성면을 정의하고;
상기 관통전극을 둘러싸며, 상기 관통전극을 상기 기판으로부터 이격시키는 트렌치를 형성하고;
상기 비활성면을 덮는 하부절연막을 형성하고; 그리고\
상기 트렌치의 내부에 상기 하부절연막으로 둘러싸인 에어 갭을 형성하는 것을;포함하되,
상기 관통전극을 형성하는 것은:
상기 기판에 상기 상면으로부터 상기 하면을 향해 연장된 홀을 형성하고;
상기 홀의 내벽을 따라 연장된 절연성 라이너막과 희생막을 형성하고; 그리고
상기 절연성 라이너막 및 희생막을 덮으며 상기 홀을 채우는 도전막을 형성하는 것을;
포함하는 반도체 소자의 제조방법.Providing a substrate comprising an upper surface and a lower surface opposite to the upper surface;
Forming a penetrating electrode partially penetrating the substrate from the upper surface toward the lower surface;
Defining an inactive surface of the substrate that recesses the bottom surface to expose a portion of the through electrode;
Forming a trench that surrounds the penetrating electrode and separates the penetrating electrode from the substrate;
Forming a lower insulating film covering the inactive surface; And\
Forming an air gap surrounded by the lower insulating film in the trench,
The penetrating electrode is formed by:
Forming a hole in the substrate extending from the upper surface toward the lower surface;
Forming an insulating liner film and a sacrificial film extending along the inner wall of the hole; And
Forming a conductive film covering the insulating liner film and the sacrificial film and filling the holes;
Wherein the semiconductor device is a semiconductor device.
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